5G Energie-Effizienz erklärt
Dieser Artikel beschreibt die verschiedenen 5G-Technologien und -Architekturen, die eingesetzt werden, um die Energieeffizienz des Netzes zu erhöhen und den Gesamtstromverbrauch zu senken.
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Die Herausforderung
Im Bereich der Kommunikation werden der Stromverbrauch und die daraus resultierende Energieverschmutzung zu einem wichtigen betrieblichen und wirtschaftlichen Problem. Angesichts des prognostizierten exponentiellen Anstiegs des Netzverkehrs und der Zahl der angeschlossenen Geräte wird die Energieeffizienz immer wichtiger. Die Steigerung der Energieeffizienz in Mobilfunknetzen wird daher die Investitions- und Betriebskosten senken.
DAS ZIEL
Die Anforderungen an die 5G-Konzeption sehen vor, dass der Energieverbrauch auf 10 % der aktuellen 4G-Netze gesenkt werden muss. Dazu gehört die Verringerung des Energiebedarfs für die Antennen der Basisstationen sowie für Client-Geräte wie Smartphones und IoT-Geräte, um die Akkulaufzeit zu verlängern.
Herkömmliche Mobilfunknetze verwenden etwa 15 bis 20 Prozent des gesamten Stromverbrauchs für den eigentlichen Datenverkehr. Die ungenutzte Energie wird vergeudet. Die Steigerung der Energieeffizienz birgt ein enormes Potenzial, um die verschwendete Energie nutzbar zu machen und neue Technologien einzusetzen, die den Stromverbrauch weiter senken würden.
In Mobilfunknetzinfrastrukturen werden neue Technologien eingesetzt, um den Stromverbrauch zu senken. Dazu gehören Cloud- und Virtualisierungstechnologien, neue effiziente Antennenhardware, 5G Small-Cell-Netzwerkarchitekturen und effizientere Netzwerkprotokolle.
Das Ziel für 5G-Geräte ist es, die Akkulaufzeit zu erhöhen:
- Mindestens drei Tage für Smartphones
- Bis zu 15 Jahre für zellulare IoT-Geräte
1 - Schlafmodi
Bei Lücken in der Netzaktivität kann die Basisstation den Energieverbrauch senken, indem sie in den Schlafmodus wechselt. Neue Basisstationselektronik kann während sehr kurzer Lücken in den Schlafmodus übergehen. Selbst in stark ausgelasteten Mobilfunknetzen beträgt die Auslastung der Basisstationen in der Regel nicht mehr als 20 Prozent.
Basisstationen verbrauchen 80 Prozent des Stroms in der Infrastruktur eines Mobilfunknetzes, und in einem Zeitraum von 24 Stunden bleiben die meisten Basisstationen im Leerlauf. 5G-Basisstationen können während dieser Leerlaufzeit in den Schlafmodus wechseln. Sie können schnell und so lange wie möglich in den Ruhezustand gehen.
2 - Höhere Netzwerk-Datenraten
5G-Netze haben einen höheren Datendurchsatz und geringere Paketlatenzzeiten. Höhere Datenraten bedeuten, dass die Daten in kürzeren Zeiträumen übertragen werden. Dadurch entstehen längere Zeiträume, in denen die Netzverbindung zwischen dem Client und der Basisstation im Leerlauf ist. Diese Leerlaufzeiten ermöglichen einen längeren Ruhemodus.
3 - NEUE NETZPROTOKOLLE
Neue 5G-Netzwerkprotokolle reduzieren den Stromverbrauch:
- Die Nutzdaten von Datenpaketen werden komprimiert, was das Verkehrsaufkommen reduziert.
- Der Benutzerverkehr und der Kontrollverkehr werden getrennt, wodurch das Netzgeflatter in den Benutzerdatennetzen reduziert wird.
Der verringerte Datenverkehr und die Eliminierung von Kontrollpaketen führen zu längeren Leerlaufzeiten und damit zu einem längeren Ruhezustand.
Das Multipath Transmission Control Protocol (MPTCP) erhöht die Netzeffizienz und verringert die Anzahl der Paketwiederholungen, wodurch der Energieverbrauch insgesamt gesenkt wird.
4 - Vollduplex
Fortschritte in der Signalverarbeitungselektronik ermöglichen jetzt die Vollduplex-Netzkommunikation auf der gleichen Frequenz. Frühere Technologien erforderten unterschiedliche Frequenzen für das gleichzeitige Senden und Empfangen von Daten.
Der Vollduplex-Kommunikationsmodus mit passiver Unterdrückung und digitaler Löschung (PSDC) ist energieeffizienter als der einfache Vollduplex-Modus mit passiver Unterdrückung. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der Vollduplex-DSDC-Modus im Vergleich zum Halbduplex-Modus eine um bis zu 40 Prozent höhere Energieeffizienz erreicht.
5 - Massive MIMO-Antennen
MIMO (Multiple Input Multiple Output) ist eine Technologie, bei der mehrere Antennen in einer zweidimensionalen phasengesteuerten Anordnung verwendet werden. Das Antennensystem ist mit einer Basisstation verbunden und steuert die Übertragung und den Empfang von Funksignalen.
Massive MIMO-Systeme sind erweiterte MIMO-Systeme mit bis zu mehreren hundert Antennen und können große Mengen an Netzdurchsatz bewältigen und eine große Anzahl von Client-Verbindungen unterstützen.
Das Zusammenwirken mehrerer Antennen hat mehrere Vorteile:
- Mehrere parallele Antennen haben einen höheren Gewinn
- Sie sind resistent gegen absichtliches Stören
- Es gibt mehr Wege zum 5G-Client, was eine stärkere Signalstärke ermöglicht
- Mehr parallele Antennen können eine größere Anzahl von Nutzern bedienen
- Antennen-Arrays können physische Standorte von 5G-Kunden besser identifizieren
- Arrays können auch mobile Clients verfolgen und den Sendestrahl auf den Client ausrichten, um die Bewegungen des Clients zu verfolgen und die Netzwerkverbindung aufrechtzuerhalten.
Beamforming ist eine Technologie, mit der Funksignale in eine bestimmte Richtung gelenkt werden können. Dadurch werden die Kanaleffizienz und die Datenraten erhöht, Störungen reduziert und die Funkenergie direkt auf die Kundengeräte konzentriert.
Da die Massive-MIMO-Antenne und die Basisstationssysteme mit den entfernten Clients über einen fokussierten Strahl kommunizieren, können die Drahtlosprotokolle die für die Kommunikation erforderliche Mindestleistung berechnen. Dadurch wird der Energieverbrauch für drahtlose Energieübertragungen sowohl für die Basisstation als auch für die Client-Geräte reduziert. Infolgedessen verbrauchen 5G-Netze mit Beamforming etwa viermal weniger Energie als vergleichbare 4G-Netze.
6 - Kleine Zellen
Eine Mobilfunkzelle umfasst die Antenne, die Basisstation und das Gebiet, das von der Zelle versorgt wird. Eine Standardzelle wird als Makrozelle bezeichnet. Eine kleine Zelle ist nur eine kleinere Version einer Makrozelle und ist in verschiedenen Größen und Leistungen erhältlich: Mikrozellen, Pikozellen und Femtozellen. Kleinzellen werden entweder innerhalb von Gebäuden oder im Freien in dicht besiedelten Gebieten installiert.
Kleine Zellen erweitern und skalieren 5G-Netzwerke, um die Nachfrage zu befriedigen, und bieten:
- Zusätzliche Kapazität für Benutzer und Netzwerkverbindungen
- Netzwerk-Bandbreite und -Durchsatz
- Geringere Netzwerklatenzen
- Reduzierte Signalstörungen
- Funksignalabdeckung an Standorten, die nicht in Sichtweite von Mobilfunkmasten liegen
- Geringerer Energiebedarf für die Netzübertragung und damit längere Lebensdauer der Client-Batterien
Geringere Entfernung zu Basisstationen
Die für die Kommunikation zwischen den Kunden und den 5G-Basisstationen erforderliche Leistung steigt, je weiter das Signal übertragen werden muss. Da Kleinzellen-Basisstationen in unmittelbarer Nähe der Client-Geräte aufgestellt werden, wird der Stromverbrauch sowohl der Basisstationen als auch der 5G-Client-Geräte erheblich reduziert.
Erhöhte Netzdichte
Kleine Zellen mit massiven MIMO-Antennen können viel mehr Geräte gleichzeitig versorgen. Jedes Gerät wird über denselben Raum und dieselbe Frequenz gemultiplext. Durch dieses räumliche Multiplexing wird derselbe Kanal für die Versorgung mehrerer Geräte genutzt. Auch der Energieverbrauch wird auf mehrere Nutzer oder Geräte aufgeteilt.
Wenn beispielsweise 10 Geräte gemultiplext werden, beträgt der Energieverbrauch jedes Geräts ein Zehntel, was einer 10-fachen Energieeffizienz entspricht.
7 - Großes effizientes Spektrum
Spektrale Effizienz und Planungsalgorithmen wurden in den 5G NR-Spezifikationen eingeführt. Die Steigerung der spektralen Effizienz durch verschiedene Funktionen und Planungsalgorithmen sorgt dafür, dass 5G im Vergleich zu seinen Vorgängern einen höheren Durchsatz erzielen kann.
Im obigen Diagramm wird der typische Zeitplan von 4G verwendet und enthält eine große Anzahl von Kontrollcodes im Datenstrom. Infolgedessen beträgt der Overhead etwa 10 bis 20 Prozent und steigt bei Übertragungen mit höheren Frequenzen.
Der untere Teil nutzt die neue 5G-Slot-Aggregationsplanung und reduziert den Verkehrs-Overhead und den Energieverbrauch erheblich.
9 - Netzwerk-Virtualisierung: NFV und SDN
Eine der wichtigsten architektonischen Anforderungen für 5G-Infrastrukturen ist, dass alle Kernnetzsysteme auf Softwarevirtualisierung basieren. Netzwerkinfrastrukturen bestehen traditionell aus physischen, speziell angefertigten Geräten, die weniger flexibel zu verwalten, bereitzustellen und zu skalieren sind.
Network Functions Virtualization (NFV) ist eine Netzwerkarchitektur, die auf virtuellen Netzwerkfunktionen (VNF) basiert. Zu den Netzwerkfunktionen gehören alle Systeme, die Netzwerkfunktionen wie Netzwerk-Routing, Paketverarbeitung, Sicherheit und viele andere bereitstellen.
Softwaredefinierte Netze (SDN) sind Virtualisierungstechnologien, die physische Netze zu virtuellen Netzstrukturen abstrahieren. Virtuelle Netzwerke erscheinen und verhalten sich wie physische Netzwerke und haben alle Vorteile anderer Virtualisierungstechnologien.
NFV- und SDN-Technologien ermöglichen:
- Bessere Skalierung der Infrastruktur
- Geringere rechnerische Redundanz
- Weniger Hardware-Systeme
Dadurch wird der Gesamtenergieverbrauch gesenkt.
Wie A10 Networks helfen kann
A10 Networks bietet Produkte für leistungsstarke Netzwerk- und Sicherheitssysteme, die Millionen von gleichzeitigen Sitzungen in Echtzeit verarbeiten. A10 NetworksZu den Kunden des Unternehmens zählen die größten Netzwerkbetreiber und Cloud-Service-Anbieter der Welt.
Das Produktportfolio des Unternehmens ist breit gefächert und deckt End-to-End-Infrastrukturen von Netzwerkdienstleistern ab, vom Network-Edge-Computing über die verteilte Paketkernverarbeitung und zentrale Büroinfrastrukturen bis hin zu öffentlichen Clouds.
Diese breite Palette von Produkten eines einzigen Anbieters reduziert die Kosten für Bereitstellung, Betrieb und Verwaltung und damit die Gesamtbetriebskosten.
A10 Networks hat einzigartige Wettbewerbsvorteile für 5G-Infrastrukturen:
- Portfolio von Produkten für Dienstanbieter
- Leistungsstarke VNFs
- Prozessbegleitende Verkettung von Servicefunktionen
- VNF Scale-Out-Clustering
- Cloud-optimierte Architektur
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A10 Networks Whitepaper: Modernisieren Sie Ihr 4G/LTE-Netzwerk JETZT für den 5G-Erfolg
Referenzen
Nokia 5G-Whitepaper zur Energieeffizienz: https://gsacom.com/paper/5g-network-energy-efficiency-nokia-white-paper/
ETSI Energieeffizienz von 5G: https://docbox.etsi.org/Workshop/2017/20171123_ITU_ETSI_ENV_REQ_5G/S01_PART1/5G_EE_ASSESSMENT_ETSIEE_ITUTSG5_BOLDI.pdf
3GPP-Studie zu Energieeffizienz-Aspekten von 3GPP-Normen: https: //portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3062